白車身外觀件輪廓激光信號處理技術(shù)的裝配防錯(cuò)檢測方案

宋宏偉

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

在當(dāng)前競爭日益激烈的汽車行業(yè)，各主機(jī)廠新車型、細(xì)分產(chǎn)品的投放越來越普遍。由此帶來的整車制造生產(chǎn)線上，一系列針對細(xì)微差異零件防錯(cuò)技術(shù)探究和實(shí)施的方案，成了整車制造生產(chǎn)線上近年來備受關(guān)注的課題[1]。

本文所述技術(shù)項(xiàng)目是在北京奔馳全新C級轎車（V206）車身工廠裝配線上開發(fā)和實(shí)施完成的。目的是在白車身外覆蓋件存在變種且區(qū)別較小的前提下，自動(dòng)識別錯(cuò)裝、漏裝問題，從根本上解決該項(xiàng)質(zhì)量隱患。經(jīng)過充分的技術(shù)分析與開發(fā)，將基于圖像識別技術(shù)的新技術(shù)穩(wěn)定地引入系列化生產(chǎn)控制中，通過智能化的監(jiān)控手段提升質(zhì)量監(jiān)控水平，降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)方案設(shè)計(jì)

1.課題背景

新C級轎車車型在車身工廠裝配完成線工藝上，白車身外覆蓋件存在如下兩個(gè)位置的產(chǎn)品變種。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)蓋 有優(yōu)雅版機(jī)蓋（不帶棱線，見圖1）和運(yùn)動(dòng)版機(jī)蓋（帶棱線，見圖2）。由于兩種機(jī)蓋除了棱線區(qū)別，無其他明顯的不同，產(chǎn)品差異不顯著，容易造成錯(cuò)裝的風(fēng)險(xiǎn)。一旦發(fā)生錯(cuò)裝，在后續(xù)生產(chǎn)流中，只有從車身生產(chǎn)控制系統(tǒng)讀取車型詳細(xì)配置后專門進(jìn)行機(jī)蓋的比對才能識別，這將導(dǎo)致錯(cuò)裝的機(jī)蓋流向最終客戶的高風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 優(yōu)雅版機(jī)蓋

圖2 運(yùn)動(dòng)版機(jī)蓋

（2）天窗 有小天窗（見圖3）和全景天窗。V206車型的燃油版和混動(dòng)版均存在小天窗和全景天窗兩種配置，二者在白車身骨架上并無區(qū)別。其中小天窗車型需要在白車身裝配線進(jìn)行小天窗的裝配安裝。工藝設(shè)計(jì)上在全自動(dòng)裝配線ST050工位安裝頂蓋總成。全景天窗配置則由后續(xù)總裝車間安裝玻璃天窗總成。

圖3 V206小天窗車型的頂蓋

前期試裝過程中，曾出現(xiàn)過發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、頂蓋錯(cuò)裝車型流入后續(xù)總裝車間的情況。頂蓋錯(cuò)裝直接導(dǎo)致整車報(bào)廢，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋錯(cuò)裝雖可進(jìn)行維修更換，但由于總裝后的整車，包含很多內(nèi)飾件，拆車工作量大，且新機(jī)蓋的全工藝非標(biāo)生產(chǎn)十分復(fù)雜繁瑣?？傊b配完成線的外覆蓋件配置錯(cuò)裝一旦發(fā)生，錯(cuò)誤成本很高，因而有必要對其進(jìn)行防錯(cuò)措施技術(shù)探討。

2.方案設(shè)計(jì)

（1）針對有無頂蓋的白車身檢測方案 是否存在頂蓋，可通過零件的有無來區(qū)分，即空間上有無物體來實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)功能可由應(yīng)用較廣的漫反射光電傳感器完成，如圖4所示。即在設(shè)備光電傳感器的檢測距離范圍內(nèi)，傳感器發(fā)出激光線，如果在距離內(nèi)遇到物體發(fā)生發(fā)射并接收后，隨即生成信號返回PLC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車型的比對，如果信息比對不上，則報(bào)警停線提示操作者進(jìn)行人工確認(rèn)，達(dá)到自動(dòng)質(zhì)量監(jiān)控的目的。

圖4 光電傳感器

（2）針對發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的優(yōu)雅版和運(yùn)動(dòng)版 機(jī)蓋的優(yōu)雅版和運(yùn)動(dòng)版的區(qū)別在于表面的兩根棱線，無法簡單通過位置、通過性等來實(shí)現(xiàn)防錯(cuò)檢驗(yàn)，可行性的手段只能通過差異輪廓拍照識別進(jìn)行比對?；谌欠瓷湓恚捎猛渡涔庹丈淞慵砻?，并由攝像機(jī)捕捉反射光線，通過坐標(biāo)換算，計(jì)算出截面的輪廓信息。并將輪廓信息的特征點(diǎn)進(jìn)行識別，與之前建的樣本照片（master picture）比對后得出車型種類的識別結(jié)果，并在系統(tǒng)內(nèi)生成IO信號輸出，指導(dǎo)PLC運(yùn)行和判別機(jī)蓋與車型配置的匹配性，從而達(dá)到質(zhì)量智能自動(dòng)監(jiān)控的目的。檢測原理如圖5所示。

圖5 基于零件輪廓信息采集計(jì)算的機(jī)蓋識別系統(tǒng)原理

3.現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論方案的可行性，在V206車型新產(chǎn)品投放試裝階段，即開始在目標(biāo)工位（裝配完成線線尾）進(jìn)行原理驗(yàn)證與功能測試。其中對于探測頂蓋有無的傳感器方案應(yīng)用十分成熟，行業(yè)內(nèi)案例廣泛。下文對發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的有棱、無棱檢驗(yàn)進(jìn)行著重介紹。

（1）針對優(yōu)雅版機(jī)蓋（不帶棱）在現(xiàn)場測試時(shí)，經(jīng)由激光器發(fā)出的投射光在零件表面反射后，相機(jī)拍攝的畫面處理后，為平直直線，不見輪廓曲折線，可有效用作最終信息比對，如圖6所示。

圖6 普通版機(jī)蓋測試試驗(yàn)相機(jī)處理結(jié)果

（2）針對運(yùn)動(dòng)版機(jī)蓋（帶棱）在現(xiàn)場測試時(shí)，經(jīng)由激光器發(fā)出的投射光在零件表面反射后，處理相機(jī)拍攝的畫面，可見明顯輪廓曲折線，可有效用作最終信息比對，如圖7所示。

圖7 運(yùn)動(dòng)版機(jī)蓋測試試驗(yàn)相機(jī)處理結(jié)果

經(jīng)過以上試驗(yàn)驗(yàn)證，該項(xiàng)系統(tǒng)（激光照射器+照相機(jī)+PLC+處理系統(tǒng)）可有效實(shí)現(xiàn)差異識別，進(jìn)而比對機(jī)蓋有棱、無棱的產(chǎn)品特征，以用于質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。

功能現(xiàn)場實(shí)施

1.物料準(zhǔn)備

該系統(tǒng)的搭建依托于生產(chǎn)線控制系統(tǒng)PLC，其主要的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，集成在該工位外觀缺陷拍攝處理系統(tǒng)PC機(jī)上，新增部件主要包括激光照射光源、視覺傳感器、安裝支架及線纜等，關(guān)鍵部件示意如圖8所示。

圖8 機(jī)蓋識別系統(tǒng)關(guān)鍵部件示意

該視覺傳感器的核心參數(shù)如下：

1）130萬像素（芯片尺寸6.78mm×5.43mm），CMOS，用于目標(biāo)檢測。

2）接口：LAN，8×IO，Profinet。

3）鏡頭：C形口。

同時(shí)將傳感器軟件系統(tǒng)集成在現(xiàn)場的PC終端，用作采集到的數(shù)據(jù)信息的處理和計(jì)算，最終比對后輸出IO信號給PLC系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)線的控制，傳感器數(shù)據(jù)處理軟件示意如圖9所示。

圖9 傳感器數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)

2.安裝調(diào)試

經(jīng)過前期的試驗(yàn)驗(yàn)證、電氣方案設(shè)計(jì)及硬件材料準(zhǔn)備后，進(jìn)入現(xiàn)場安裝調(diào)試階段。為保證日常系列化生產(chǎn)不受影響，利用周末非生產(chǎn)時(shí)間，進(jìn)行實(shí)物集成、軟件安裝、程序?qū)爰俺绦虻某跽{(diào)整，最后進(jìn)行檢測效果的驗(yàn)證和精調(diào)整。

1）現(xiàn)場支架借助原生產(chǎn)線穩(wěn)定立柱進(jìn)行安裝，然后完成激光光源和照相機(jī)的固定。安裝完成狀態(tài)如圖10所示。

圖10 激光光源與視覺傳感器的安裝示意

2）識別系統(tǒng)的軟件部分集成在現(xiàn)場的PC電腦上，與生產(chǎn)線現(xiàn)有外觀缺陷識別控制系統(tǒng)共用，如圖11所示。電氣控制部分通過Profinet網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)線PLC進(jìn)行通信。

圖11 視覺傳感器軟件與現(xiàn)場PC控制系統(tǒng)的集成

3.驗(yàn)證放行

完成基礎(chǔ)的硬件、軟件集成后，結(jié)合生產(chǎn)用車進(jìn)行功能的測試、調(diào)試及驗(yàn)證，并實(shí)現(xiàn)最終的功能放行。

（1）初始狀態(tài) 在初次安裝后的調(diào)試發(fā)現(xiàn)，測試畫面模糊，無法用于最后的計(jì)算和比對，問題示意如圖12所示。

圖12 初次測試成像模糊問題示意

（2）優(yōu)化調(diào)試 通過調(diào)整激光光源和照相機(jī)的位置，多次調(diào)整，達(dá)到清晰穩(wěn)定的成像效果，可用于后續(xù)計(jì)算和數(shù)據(jù)比對。

1）優(yōu)雅版機(jī)蓋最終成像畫面清晰明亮，呈現(xiàn)完整直線，無斷點(diǎn)，效果如圖13所示。

圖13 普通版機(jī)蓋成像測試效果

2）運(yùn)動(dòng)版機(jī)蓋成像清晰明亮，在車輛棱角處有斷點(diǎn)，效果如圖14所示。

圖14 運(yùn)動(dòng)版機(jī)蓋成像測試效果

（3）功能驗(yàn)證 車身到達(dá)此工位后，PLC系統(tǒng)從生產(chǎn)系統(tǒng)讀取車身信息即配置信息后，與圖像識別系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行比對。如果發(fā)動(dòng)機(jī)蓋比對結(jié)果正確（機(jī)蓋類型正確），則放行車輛至下一個(gè)工位，如果機(jī)蓋比對信息不一致，則車輛停止在該工作位，同時(shí)報(bào)警提示工人確認(rèn)。圖像識別系統(tǒng)采用的是與標(biāo)準(zhǔn)件比對、關(guān)注特征點(diǎn)的方式，判別出機(jī)蓋類型后，如果是運(yùn)動(dòng)版機(jī)蓋，則IO1輸出；如果是優(yōu)雅版機(jī)蓋，則IO2輸出。兩個(gè)IO信號發(fā)送至PLC系統(tǒng)，并與車輛信息進(jìn)行比對，形成監(jiān)控依據(jù)。對比結(jié)果示意如圖15所示。

圖15 普通版機(jī)蓋識別后IO2信號輸出

結(jié)語

基于實(shí)際生產(chǎn)線低辨識度多產(chǎn)品柔性的應(yīng)用場景需求的深入技術(shù)分析，實(shí)現(xiàn)了基于外觀件輪廓激光信號處理的車身工廠裝配完成線防錯(cuò)技術(shù)方案的開發(fā)和實(shí)施。該系統(tǒng)的成功搭建，可有效監(jiān)控白車身外覆蓋件變種和車型配置的一致性，避免零件的錯(cuò)裝、漏裝問題的發(fā)生，提升整車制造水平和質(zhì)量的控制水平。隨著近年來工業(yè)4.0和智能制造2025戰(zhàn)略的發(fā)展，圖像識別技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。本項(xiàng)目的圖像識別方案，有望在整車車身、總裝制造領(lǐng)域、相似零件裝配及加工后的質(zhì)量監(jiān)控等應(yīng)用場景中發(fā)揮更多、更廣泛的作用，實(shí)現(xiàn)其智能化質(zhì)量控制解決方案。